煤制甲醇廢熱爐頻繁爆管失效分析

胡玉龍 劉建江 李豐泉 劉長福 王英杰 韓繼鵬

（1．內蒙古自治區鍋爐壓力容器檢驗研究院 呼和浩特010020）

（2．內蒙古工業大學能源與動力工程學院 呼和浩特 010051）

（3．內蒙古電力科學研究院 呼和浩特 010020）

廢熱爐是石化行業廣泛使用的余熱回收設備，由于換熱介質多含有硫化氫、二氧化碳及其他酸性氣體，實際工作環境十分惡劣，腐蝕、泄漏、爆管時有發生，不僅影響企業正常生產，有時還會造成重大的意外事故。因此，針對廢熱爐爆管事故進行失效分析和對策研究很有必要。

1 爆管概況

內蒙古某煤化工企業一臺廢熱爐，結構為典型的管殼式換熱器，管程介質為煤制甲醇變換氣，主要成分為CO、CO2、H2、H2S、N2等，殼程為鍋爐給水，換熱管（0Cr18Ni10Ti）與管板采用強度焊加貼脹焊接形式。廢熱爐服役半年后換熱管頻繁爆裂，企業被迫采取堵管措施，累計堵管數百根，對正常生產造成嚴重影響。為準確查找廢熱爐爆管原因，企業對該廢熱爐進行了報廢拆解，受委托筆者對該廢熱爐頻繁爆管進行了失效分析。

圖1為廢熱爐解體后爆管段換熱管外觀，爆口管段位于管板與第一支撐隔板間，換熱管外壁部分為紅褐色，部分為黑褐色，采用ET-556H渦流檢測儀內檢測換熱管210根，結果顯示：換熱管與管板貼脹區含有76處缺陷，其他部位38處缺陷，未見貫穿性缺陷，渦流測厚未發現換熱管壁厚減薄現象。對非貼脹區渦流檢測缺陷部位管段進行著色滲透檢測，發現裂紋，裂紋沿縱向延伸、不連續，但近乎直線，仔細觀察為明顯的高壓氣體沖蝕痕跡，見圖2，進一步追蹤檢查發現，所有抽查裂紋管貼脹區均存在渦流檢測缺陷，表明換熱管與管板貼脹區出現了泄漏。

圖1 廢熱爐解體后外觀形貌

圖2 換熱管著色探傷縱向裂紋宏觀像

2 試驗檢測與分析

2.1 宏觀形貌觀察

對爆管管段進行宏觀形貌觀察（見圖3），發現管子基本沿縱向開裂，裂紋呈階梯狀擴展，斷口處無明顯塑性變形，壁面無點蝕坑，壁厚無明顯減薄，斷口處斷面與管子周向約呈90°角，為典型脆性斷口。

圖3 爆管管段宏觀形貌像

圖4管子橫截面金相組織

2.2 金相檢測與分析

自斷口處管子橫截面取樣、拋光后用光學顯微鏡觀察，發現裂紋自外表面向內擴展，裂紋末端發現樹根狀分叉，有應力腐蝕裂紋的特征；對試樣腐蝕后進行金相分析，發現換熱管金相組織為奧氏體，見圖4。

自斷口處取樣，管子外表面拋光后觀察，視場內有多條裂紋，裂紋末端有分枝；腐蝕后發現裂紋主要為穿晶型，見圖5。

圖5 爆管外表面金相組織

2.3 斷口掃描電鏡觀察

對斷口進行掃描電鏡分析，發現斷口處附著有大量垢狀物，清洗后，發現斷口呈典型解理形貌，屬于典型的穿晶脆斷斷口，且斷口上有二次裂紋，見圖6。

圖6 爆管斷口掃描電鏡形貌

對斷口及外表面垢狀物進行能譜分析，結果見圖7、圖8及表1。斷口及管子外表面垢狀物中均存在硫、氯元素，二者易引起奧氏體應力腐蝕。

表1 爆管斷口垢狀物X射線能譜分析結果（%）

圖7 爆管斷口能譜分析

圖8 管子外表面能譜分析

2.4 換熱管化學成分檢測

換熱管材料為0Cr18Ni10Ti，采用ICP光譜儀對換熱管化學成分進行分析，結果見表2，表2還列出了GB 13296—2007對換熱管的化學成分要求，表2說明換熱管的化學成分符合標準要求。

表2 換熱管化學成分（%）

2.5 力學性能試驗

分別從著色探傷未見裂紋的換熱管和爆裂管未見裂紋部分取樣加工力學性能試驗試樣，測量其力學性能指標，測試結果見表3。

表3數據顯示換熱管的拉伸性能試驗指標符合GB/T 4327—2007標準要求。

表3 換熱管拉伸性能試驗結果

3 失效原因分析

由爆管斷口橫截面光學顯微鏡觀察結果［見圖4（a）］，可知斷口裂紋自外表面向內擴展，表明起裂源位于換熱管外表面，結合金相分析，斷口屬由外向內擴展并沿管子縱向延伸的穿晶型裂紋脆性斷口，掃面電鏡觀察呈典型解理形貌，符合奧氏體不銹鋼穿晶應力腐蝕裂紋斷口典型特征。奧氏體不銹鋼應力腐蝕失效環境[2]為高溫堿液；海水，海洋大氣；濃縮鍋爐水；濕潤空氣（濕度90%以上）；熱NaCl；H2SO4，HNO3混合酸水溶液；氯化物水溶液；連多硫酸溶液；高溫高壓含氧高純水；H2S水溶液等。查閱鍋爐運行記錄從未有水質超標現象，且殼程水介質流程其他相同材質換熱面均未發生爆裂及腐蝕，故可排除水質原因導致爆管的發生。

能譜分析結果顯示：管子外表面及斷口處存在引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕的S和Cl，但宏觀檢查換熱管外表面及管板縫隙均未見氯離子點蝕坑，且如此大量的換熱管頻繁爆裂不可能用少量氯化物應力腐蝕開裂來解釋，故也可排除氯離子腐蝕的成因。

廢熱爐管程介質為發生爐變換氣（CO、CO2、H2、H2S、H2O等），工作壓力6MPa，進出口溫度為308/153℃，殼程介質為鍋爐給水，進出口溫度為104/145℃。宏觀檢驗發現爆管段換熱管外表面部分為紅褐色，部分為黑褐色，對外表面物質能譜分析顯示含有Fe、S、O元素(見表1)，結合三種元素所有可能的化合物特性可知，外表面紅褐色物質為三氧化二鐵，黑褐色物質為硫化亞鐵，由于奧氏體不銹鋼在空氣環境下不會發生腐蝕行為，現有腐蝕行為一定是有硫元素參與的腐蝕反應，可以判定運行中外壁發生了奧氏體不銹鋼在濕H2S環境中的腐蝕，反應生成的FeS在停車檢修時接觸濕空氣又會生成連多硫酸和三氧化二鐵，腐蝕機理如下：

4 結論及建議

通過上述試驗及分析，得出如下結論：

本案例換熱管頻繁爆裂屬于濕硫化氫應力腐蝕開裂，引起腐蝕開裂的腐蝕介質來源于管程變換氣，渦流檢測顯示換熱管與管板貼脹密封存在缺陷，宏觀檢驗也發現氣流沖刷換熱管外壁的痕跡，表明換熱管與管板連接接頭出現泄露，經檢測發現連接部位不符合GB/T 151—2014《熱交換器》中 6．6．2 及 6．6．3 的規定要求，即管孔結構形式及尺寸偏離標準要求，致使換熱器運行中出現泄漏，由于濕硫化氫應力腐蝕在低應力狀態下即可發生，最終導致換熱管爆裂。

根據換熱管泄露的失效原因，提出如下建議：

1）換熱管與管板采用強度焊接加貼脹連接方式時，制造單位應優先采用先焊后脹的制造工藝，并且在脹接過程中注意減小脹接對焊道的影響；

2）制造廠家采用先脹后焊的制造工藝時，管孔結構的尺寸參數要嚴格符合GB/T 151—2014《熱交換器》中6．6．3．4規定要求，原先焊后脹結構中的不脹部分應脹至坡口根部。

3）制造廠家須嚴格按照NB/T 47014—2011《承壓設備用焊接工藝評定 》附錄D中進行附加工藝評定的要求完成附加工藝評定。